用于鋼軌焊接接頭補(bǔ)強(qiáng)的環(huán)氧類膠粘劑研制與應(yīng)用

趙升龍，劉清方，梁 濱

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

1 前言

環(huán)氧樹脂膠粘劑因具有優(yōu)異的粘接性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等特性，在結(jié)構(gòu)膠粘劑領(lǐng)域占有重要的位置，在各行業(yè)發(fā)揮著重要作用。聚氨酯是指分子中含有一定數(shù)量的氨基甲酸酯基團(tuán)的化合物，是一類性能優(yōu)異的高分子材料，用聚氨酯改性環(huán)氧樹脂可在一定程度上提高膠粘劑的抗沖擊強(qiáng)度，改善剝離強(qiáng)度低、易開裂等缺陷，從而獲得既有一定韌性又有較高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)膠粘劑[3-8]。

為滿足軌道交通部門的需求，以聚氨酯改性環(huán)氧樹脂為雙組分膠粘劑的甲組分，通過試驗(yàn)選擇帶苯環(huán)的改性脂肪胺和促進(jìn)劑為乙組分,最終研制成一種可室溫固化的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠粘劑SY-TG3[9-11]。

圖1 膠接補(bǔ)強(qiáng)的焊接接頭示意圖

2 實(shí)驗(yàn)原材料、試樣及測試內(nèi)容

2.1 原材料

實(shí)驗(yàn)原材料為環(huán)氧樹脂E-51，藍(lán)星；聚氨酯類改性劑P1，自制；胺類固化體系，自配；填料，市售。

2.2 膠接試樣的制備

（1）剪切試樣。被粘物為5 mm厚工具鋼，或1.6 mm厚進(jìn)口2024T3鋁合金，或2 mm 厚國產(chǎn)2A12鋁合金；鋼試樣表面經(jīng)噴砂處理，鋁合金表面經(jīng)磷酸陽極化處理。

（2）浮輥剝離試樣。被粘物薄試片為0.5 mm的進(jìn)口2024T3（或國產(chǎn)2A12）鋁合金，厚試片為1.6 mm厚進(jìn)口2024T3（或2 mm 厚國產(chǎn)2A12）鋁合金；鋁合金表面經(jīng)磷酸陽極化處理。

（3）固化條件。為25 ℃固化7天或60 ℃固化2 h。

2.3 測試內(nèi)容

（1）剪切性能。按GB 7124-1986 《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測定方法（金屬對金屬） 》測試。

穩(wěn)定性提高：由一個環(huán)路化成三個環(huán)路，三個環(huán)路獨(dú)立運(yùn)行互不干擾，末端的變化不會影響到主機(jī)（傳統(tǒng)的一個環(huán)路末端變化一定會影響到主機(jī)，三個小環(huán)的末端變化影響到主機(jī)的概率變小。）。

（2）剝離性能。按GB/T 7122-1996《高強(qiáng)度膠粘劑剝離強(qiáng)度的測定浮輥法》測試。

（3）適用期。按GB 7123-1986《膠粘劑適用期的測定方法》測試。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 聚氨酯用量對膠粘劑性能的影響

3.1.1 聚氨酯用量對膠粘劑粘度的影響

環(huán)氧樹脂膠粘劑改性效果與改性劑的用量有很大的關(guān)系，配方研究中主要研究了聚氨酯改性劑用量對膠粘劑的粘度和膠接性能的影響，圖2列出了20 ℃、23 ℃和25 ℃ 3種不同溫度下膠粘劑的粘度隨聚氨酯改性劑用量變化的曲線。

從圖2中可見，隨著聚氨酯改性劑用量的增加，膠粘劑的粘度逐漸增加，以20 ℃時的粘度為例，膠粘劑的粘度在改性劑含量為0時較小，而在聚氨酯含量為30%時則增加到1 600 Pa · s，此時攪拌和涂膠已很困難；此外，同一配方的膠粘劑隨著溫度升高粘度下降，這符合高分子材料的流變特性。

圖2 聚氨酯改性劑含量與環(huán)氧膠粘劑的粘度關(guān)系

3.1.2 聚氨酯用量對膠粘劑力學(xué)性能的影響

不增韌的環(huán)氧樹脂膠粘劑一般較脆，不能收獲好的力學(xué)性能，但也不是改性劑的加入量越多膠粘劑的力學(xué)性能就越高，需要通過力學(xué)性能試驗(yàn)找到合適的加入量。表1列出了膠粘劑的力學(xué)性能隨聚氨酯改性劑含量的變化值。

從表1可以看出，未加聚氨酯改性劑時，膠粘劑的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度都很低，不能滿足使用要求。隨著聚氨酯改性劑用量增加，膠粘劑的膠接性能逐漸提高，而膠粘劑的浮輥剝離強(qiáng)度在聚氨酯用量為30%時較用量為25%時有所下降，聚氨酯用量為25%時膠粘劑的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度最佳。結(jié)合圖2膠粘劑粘度變化分析，聚氨酯用量為25%時膠粘劑的粘度適中，配制的膠粘劑具有一定的流動性，涂抹膠粘劑時既能流動浸潤被粘物表面，也不會造成嚴(yán)重的流淌現(xiàn)象，以致于造成膠層缺膠。因此，最終配方確定聚氨酯改性劑用量為25%，命名為SY-TG3膠粘劑[12-15]。

表1 不同聚氨酯用量的環(huán)氧樹脂膠粘劑膠接性能

3.2 操作溫度對SY-TG3膠粘劑適用期的影響

雙組分膠粘劑配制混合后經(jīng)一段時間開始凝膠，此時無法進(jìn)行膠接操作，膠粘劑從混合到凝膠的這段時間稱為適用期。本實(shí)驗(yàn)配制了100 g SYTG3膠粘劑，在20 ℃下測試其凝膠時間為30 min，說明20 ℃下有30 min的操作適用期。

使用流變儀在不同溫度下測試粘度隨時間變化的曲線如圖3所示。可以看出，溫度越高膠粘劑粘度隨時間增加就越快，膠粘劑的凝膠時間就越短，膠粘劑的適用期也越短。

3.3 不同固化條件對 SY-TG3 膠粘劑力學(xué)性能的影響

用于軌道交通鋼軌傷損修復(fù)的膠粘劑要求既可在常溫不加熱環(huán)境固化，也可加溫快速固化，以滿足不同現(xiàn)場條件的使用要求。表2列出了SY-TG3膠粘劑在固化溫度20 ℃條件下固化1天、3天、7天和60 ℃條件下固化1 h、2 h后的力學(xué)性能。

從表2可見，經(jīng)固化溫度20 ℃固化1天SY-TG3膠粘劑膠接性能較低，經(jīng)20 ℃固化3天與固化7天的性能基本一致；提高固化溫度至60 ℃時，經(jīng)2 h固化后，與20 ℃固化相比，膠粘劑的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度都較高，這是由于加溫固化使膠粘劑的交聯(lián)密度更高，固化更完全；20 ℃固化和60 ℃固化2種工藝固化后的SY-TG3膠粘劑都具有較高的剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度，說明SY-TG3膠粘劑既適合常溫不加熱環(huán)境固化，也可加溫快速固化。

3.4 不同測試溫度對 SY-TG3膠粘劑力學(xué)性能的影響

鋼軌通常暴露在野外，其焊縫應(yīng)能適用于嚴(yán)冬季節(jié)的北方和盛夏季節(jié)的南方，即應(yīng)能在-55～70 ℃ 的溫度范圍使用。表3列出不同溫度下SY-TG3膠粘劑的膠接性能。

圖3 不同溫度下SY-TG3膠粘劑粘度-時間曲線

從表3中可以看出，-55 ℃和70 ℃測試的剝離強(qiáng)度比23 ℃測試的剝離性能低；-55 ℃測試的剪切強(qiáng)度比23 ℃測試的剪切強(qiáng)度更高；70 ℃測試的剪切強(qiáng)度同23 ℃測試的剪切強(qiáng)度相比有比較明顯的下降，但仍然可達(dá)18.7 MPa，滿足結(jié)構(gòu)膠接的強(qiáng)度要求。分析表明，SY-TG3膠粘劑可在-55～70 ℃ 的溫度范圍使用。

3.5 不同老化條件對 SY-TG3 膠粘劑力學(xué)性能的影響

將用SY-TG3膠粘劑膠接的剪切試樣和剝離試樣放入人工海水和潤滑油2種介質(zhì)中，室溫浸泡1個月，以及在55 ℃、相對濕度100%條件下濕熱老化1個月，然后測試其性能，結(jié)果列于表4中。

從表4可見，用SY-TG3膠粘劑制備的膠接試樣在不同條件老化后性能都有所下降，濕熱老化后的性能下降最大，潤滑油浸泡后的性能下降程度較小；但濕熱老化后的剪切強(qiáng)度仍達(dá)到29.2 MPa，剝離強(qiáng)度達(dá)到5.07 kN/m，滿足結(jié)構(gòu)膠接的要求，表明SY-TG3膠粘劑具有較好的的耐介質(zhì)性能和耐濕熱老化性能。

表2 SY-TG3膠粘劑在不同條件固化后的力學(xué)性能

表3 SY-TG3膠粘劑在不同溫度下膠接性能

表4 SY-TG3膠接試樣在不同條件中老化1個月后膠接性能

3.6 貯存時間對 SY-TG3 膠粘劑力學(xué)性能的影響

將SY-TG3膠粘劑在經(jīng)過一段時間常溫貯存后，進(jìn)行常溫剪切強(qiáng)度的測試，結(jié)果列于表5。從表5可見，該膠粘劑在常溫下貯存1年前后的剪切強(qiáng)度變化不大，說明該膠粘劑在常溫至少具有1年的貯存期。

表5 SY-TG3膠粘劑室溫貯存1年前后的剪切強(qiáng)度 MPa

4 用 SY-TG3 膠粘劑補(bǔ)強(qiáng)的焊接接頭整體剪切和彎曲疲勞檢驗(yàn)

采用SY-TG3膠粘劑在工廠條件下制成預(yù)防鋼軌焊縫斷裂的補(bǔ)強(qiáng)焊接接頭，圖4為其中1個正在固化過程中的補(bǔ)強(qiáng)鋼軌焊接接頭。將其分別送到中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金化所和國家鐵路產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)中心鐵道建筑檢驗(yàn)站進(jìn)行彎曲疲勞檢驗(yàn)和整體剪切檢驗(yàn)。彎曲疲勞檢驗(yàn)參照TB/T 3066-2002《異型鋼軌技術(shù)條件》技術(shù)要求進(jìn)行，結(jié)果見表 6。整體剪切檢驗(yàn)參照TB/T 2975-2018《膠接絕緣鋼軌技術(shù)條件》進(jìn)行，結(jié)果見表7[16-17]。

從表6可見，采用SY-TG3膠粘劑補(bǔ)強(qiáng)的鋼軌焊接接頭經(jīng)252萬次疲勞后鋼軌及粘接魚尾夾板均未出現(xiàn)斷裂或開裂，結(jié)構(gòu)完好；彎曲疲勞性能滿足TB/T 3066-2002《異型鋼軌技術(shù)條件》技術(shù)要求的規(guī)定。從表7可見，采用SYTG3膠粘劑補(bǔ)強(qiáng)的鋼軌焊接接頭整體剪切力達(dá)到了3 200 kN以上，達(dá)到了TB/T 2975-2018《膠接絕緣鋼軌技術(shù)條件》規(guī)定的帶螺栓固定的鋼軌膠接絕緣接頭的技術(shù)要求。檢驗(yàn)結(jié)果表明，采用SY-TG3膠粘劑可以制造出滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的預(yù)防鋼軌焊縫斷裂的補(bǔ)強(qiáng)焊接接頭。

圖4 用SY-TG3膠粘劑補(bǔ)強(qiáng)的焊接接頭

表6 補(bǔ)強(qiáng)焊接接頭疲勞檢驗(yàn)結(jié)果

表7 補(bǔ)強(qiáng)焊接接頭整體剪切檢驗(yàn)結(jié)果 kN

5 結(jié)論

（1）SY-TG3膠粘劑具有較好的力學(xué)性能、工藝性能、耐介質(zhì)性能、耐濕熱老化性能和貯存性能等，滿足軌道交通部門對鋼軌焊接接頭補(bǔ)強(qiáng)膠粘劑的要求。

（2）在工廠采用SY-TG3膠粘劑制備的預(yù)防鋼軌焊縫斷裂的補(bǔ)強(qiáng)焊接接頭整體剪切和彎曲疲勞性能滿足鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明SY-TG3膠粘劑適用于鋼軌焊接接頭的補(bǔ)強(qiáng)和傷損修復(fù)。